【文章內容簡介】 2，C=℃4。由式（1）和式（2）可見，要確定電阻RT與溫度T 的關系，首先要確定R0的數值，R0值不同時，RT與T的關系不同。目前國內同意設計的一般工業(yè)用標準鉑電阻R0值有100歐姆和500歐姆兩種，并將電阻值RT與溫度T 的相應關系同意列成表格，稱其為鉑電阻的分度秒度，分度號分別用Pt100和Pt500表示。鉑電阻在常用的熱電阻中準確度最高，國際溫標ITS90中還規(guī)定，~℃標準溫度計來使用。鉑電阻廣泛用于200~850℃范圍內的溫度測量，工業(yè)中通常在600℃以下?？梢?，溫度越高非線性誤差越大，題目要求溫控范圍是32℃～37℃，溫度較低，可近似將其電阻值與溫度看作線性關系，而且在這么低的溫度下，電阻與溫度的關系不會改變。因此在本系統(tǒng)中選用面積只有一平方毫米，精度高，抗干擾能力強的鉑電阻溫度傳感器。 A/D的方案論證方案一：采用A/D轉換芯片CS5532，它具有高動態(tài)范圍、可編程輸出字速率和靈活的電源配置選項。其內部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為1X、2X、4X、8X、16X、32X。由于傳感器輸出信號比較小，分辨能力較低。 方案二：采用A/D轉換芯片AD7710，它是一種雙通道、低電平差動輸入、Σ △信號調理型的模/ 數變換器。它內部含有可編程增益放大器(PGA) 、多路轉換器(MUX) 、電荷平衡模/ 數變換器、時鐘發(fā)生器、參考電壓源、串行接口。由于該芯片具有集成度高、非線性誤差小( %) 、分辨率高(21. 5 位) 、微控制器串行接口等特點, 所以在稱重、熱電偶、應變儀、RTD、過程控制、數據采集、微控制器應用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。根據本文的設計要求選擇A/D7710作為轉換芯片。 后向通道方案論證 PWM的方案論證[26]根據任務，本系統(tǒng)需完成對玻璃容器內溫度變化的監(jiān)控，即控制電阻絲輸出功率來控制對容器內空氣的加熱量大小來達到對容器內空氣溫度變化的調整。所以需要精確的直流電源控制方案來控制電阻絲的輸出功率。方案一：　TL494脈寬調制TL494脈寬調制是電源中被廣泛用來構成其他激式直流開關電源的專用器件，是直流開關電源中常用的脈寬調制器件。該器件既可調頻又可調脈寬，且其可調性強，工作區(qū)間大，可用他搭建不同的驅動電路。由它構成的半橋變換開關電源，體積小、重量輕，可應用于其他各個領域，但硬件的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點的同時，增加了產品的成本，所以不采用這種方案。方案二：數字脈寬PWM調溫采用全數字PWM脈寬調制控制，引入溫度反饋提高控制精度。這種方案的優(yōu)點是：（1）采用單片機可以根據需要實現多種PWM控制方案，也可以采用如PID等智能控制方法。（2）由單片機直接產生PWM驅動控制脈沖，接口方便，成本很低，軟件上采取措施可以防止橋式變換器的直通現象，可靠性高。（3）采用閉環(huán)控制，提高控制精度。MOS管的柵極是絕緣的，屬于電壓驅動，不需要電流，它的特點是功率高、開關速度較快，一般可用于功率開關或直流變換器。單片機輸出PWM，利用PWM產生高低電平來控制MOS管的G極，從而控制D極和S極之間的通斷，當D極和S極導通時，電極正極接電源，負極接地。當D極和S極斷開時，電極正極和電源相連，而負極通過二極管通向電容的正極，給二極管充電，形成回路。這樣就可以達到一種平衡狀態(tài)，調節(jié)PWM方波的占空比就可以調節(jié)電極兩端的電流，從而控制電阻絲的輸出功率。這種控制電極的方法使MOS管要么工作在飽和區(qū)，要么工作在截止區(qū)，有效的控制了MOS管的發(fā)熱量，從而增加穩(wěn)定性。綜合上述分析，經過性能、可靠性、成本等論證，本系統(tǒng)執(zhí)行機構采用大功率MOS管，對電阻絲的輸出功率采用數字PWM脈寬調速PWM控制的基本原理很早就已經提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展,微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應用,已出現了多種PWM控制技術,根據PWM控制技術的特點,到目前 為止主要有以下5類方法. 1 相電壓控制PWM VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現的,通過改變脈沖列的周期可以調頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調壓,該方法的優(yōu)點是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數,但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量. 2 滯環(huán)比較法 這是一種帶反饋的PWM控制方式,即每相電流反饋回來與電流給定值經滯環(huán)比較器,得出相應橋臂開關器件的開關狀態(tài),動態(tài)性能好,和其他方法相比,在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多. 3 三角波比較法 該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同,這里是把指令電流與實際輸出電流進行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進行比較,這種方式電流響應不如滯環(huán)比較法快. 4 預測電流控制法 預測電流控制是在每個調節(jié)周期開始時,根據實際電流誤差,負載參數及其它負載變量,來預測電流誤差矢量趨勢,因此,若給調節(jié)器除誤差外更多的信息,則可獲得比較快速,這類調節(jié)器的局限性是響應速度及過程模型系數參數的準確性.5 空間電壓矢量控制PWM 空間電壓矢量控制PWM(SVPWM),以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通,由它們的比較結果決定逆變器的開關,把逆變器和電機看作一個整體,以內切多邊形逼近圓的方式進行控制,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通). PID控制算法的方案論證溫度控制器：采用PID模糊控制技術 ，用先進的數碼技術通過Pvar、Ivar、Dvar（比例、積分、微分）三方面的結合調整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。 據了解，很多廠家在使用溫度控制器的過程中，往往碰到慣性溫度誤差的問題，苦于無法解決，依手工調壓來控制溫度。PID控制的原理和特點在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的 創(chuàng)新采用了PID模糊控制技術，較好地解決了慣性溫度誤差的問題。傳統(tǒng)的溫度控制器，是利用熱電偶線在溫度化變化的情況下，產生變化的電流作為控制信號，對電器元件作定點的開關控制器。 傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時，通常達到1000℃以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內部溫度都很高。一般進行溫度控制的電器機械，其控制溫度多在0400℃之間，所以，傳統(tǒng)的溫度控制器進行溫度控制期間，當被加熱器件溫度升高至設定溫度時，溫度控制器會發(fā)出信號停止加熱。但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內部溫度會高于400℃，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進行加熱，即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱，被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當下降到設定溫度的下限時，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時候，這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質情況而定。通常開始重新加熱時，溫度繼續(xù)下降幾度。所以，傳統(tǒng)的定點開關控制溫度會有正負誤差幾度的現象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個熱系統(tǒng)的結構性問題，使溫度控制器控溫產生一種慣性溫度誤差。 要解決溫度控制器這個問題，采用PID模糊控制技術，是明智的選擇。PID模糊控制，是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進的數碼技術通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結合調整，形成一個模糊控制，來解決慣性溫度誤差問題。然而，在很多情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫控時，很多人會放棄自動控制而采用調壓器來代替溫度控制器。當然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時，用調壓器來代替溫度控制器時，必須在很大程度上人力調節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調好所需溫度的度數，然后，相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱，勉強運作，但這決不是自動控溫。當需要控溫的關鍵很多時，就會手忙腳亂。這樣，調壓器就派不上用場，因為，人手不能同時調節(jié)那么多需要溫控的關鍵，只有采用PID模糊控制技術，才能解決這個問題，使操作得心應手，運行暢順。例如燙金機，其溫度要求比較穩(wěn)定，通常在正負2℃以內才能較好運作。高速燙金機燙制同一種產品圖案時，隨著速度加快，加熱速度也要相應提高。這時，傳統(tǒng)的溫度控制器方式和采用調壓器操作就不能勝任，產品的質量就不能保證，因為燙金之前必須要把燙金機的運轉速度調節(jié)適當，用速度來遷就溫度控制器和調壓器的弱點。但是，如果采用PID模糊控制的溫度控制器，就能解決以上的問題，因為PID中的P，即Pvar功率變量控制，能隨著燙金機工作速度加快而加大功率輸出的百分量。 人機接口的方案論證數據處理部分的外部設備有顯示器、打印機及面板上操作按鍵等。這里人對機器的控制是通過各功能按鍵進行的，而機器對人報告其運行狀態(tài)及試驗結果是通過顯示器、打印機實現的。一、鍵盤鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現向單片機輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。一個安全可靠的控制系統(tǒng)通常具有方便的交互功能，操作人員可以通過外設鍵盤靈活地輸人各種參數以調節(jié)系統(tǒng)的運行，掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在一些復雜的應用系統(tǒng)中，為準確判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障定位，設計人員往往會在程序中加入一些用于系統(tǒng)定位的代碼。一種簡便的做法便是額外設置幾個按鍵，通過按鍵的組合以及顯示狀態(tài)的不同來判定系統(tǒng)的工作狀況，以便及時了解系統(tǒng)內部運行狀態(tài)，一旦出現故障，可以在最短的時間內找出故障原因，及時恢復。所以可以這樣認為:鍵盤是單片機系統(tǒng)中實現人機對話的紐帶和橋梁。二、數碼管顯示LED數碼管分共陽極與共陰極兩種，其工作特點是，當筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時，相應筆段可以發(fā)光。共陰極LED數碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負極)短接后作為公共陰極。當驅動信號為高電平、?端接低電平時，才能發(fā)光。LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度，也反映出半導體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氮化鎵(GaN)等，其中氮化鎵可發(fā)藍光。發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關，還與所摻雜質有關，因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅、橙、黃、綠等不同顏色的數碼管。其它顏色LED數碼管的光譜曲線形狀與之相似，僅入，值不同。LED數碼管的產品中，以發(fā)紅光、綠光的居多、這兩種顏色也比較醒目。LED數碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結。當PN結導通時，依靠少數載流子的注人及隨后的復合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向導通之前，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，LED數碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度L(單位是cd／m2)與正向電流IF有關，用公式表示：L=KIF即亮度與正向電流成正比。LED的正向電壓U，則與正向電流以及管芯材料有關。使用LED數碼管時，工作電流一般選10mA左右／段，既保證亮度適中，又不會損壞器件。三、打印機目前，市場上主要有9針和24針兩種針式打印機。9針的不配漢字庫，其基本功能是打印字母和數字符號，若要用它打印1616點陣組成的簡易漢字，只能在圖形方式下打印，打印時必須分兩次進行，即第一次打印一行漢字的上半部分8個點，第二次打印該行漢字的下半部分8個點，上下兩部分拼成一行完整的漢字。顯然，打印漢字的速度很低；若要用它打印2424點陣組成的漢字，則一行完整的漢字至少需要3次打印才能完成，打印速度更慢。 按照有關標準，對“漢字針式打印機”的定義是：打印頭橫向打印一次就能打出一種或幾種符合國際漢字字形點陣要求的打印機。目前，市場上流行的24針打印機就能一次打出2424點陣組成的漢字第三章 硬件設計 該水溫控制系統(tǒng)主要由AT89C51單片機控制系統(tǒng)、前向通道（鉑電阻溫度傳感器和A/D轉換器）、后向通道（PID控制算法，PWM脈寬調制和功率驅動）電路等四部分組成，其總體設計框圖如上圖所示。 主控模塊 AT89C51單片機設計本設計下位機采用AT89C51單片機作為控制器，完成下位機的控制工作。AT89C51是美國Atmel公司生產的一種低功耗、高性能的片內含有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位CMOS微處理器，俗稱單片機。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其主要性能參數如下： 與MCS51產品指令完全兼容 4K字節(jié)可擦除閃爍存儲器 1000次寫/擦周期 數據保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內部RAM 32個可編程I/O 2個16位定時器/計數器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。